Церковь построена из белого камня в 1152-1157 годах. Строительство начато Юрием Долгоруким в качестве княжеского храма при основании крепости, верхняя часть храма закончена при Андрее Боголюбском.

Во второй половине XII века собор расписан фресками. Росписи на сюжет Страшного суда и Богоматерь на престоле обнаружил в 1862 году краевед и архитектор Н. А. Артлебен. Снятые со стен во время реставрации собора в 1890-х годах, древние фрески при неизвестных обстоятельствах навсегда исчезли. Единственный сохранившийся фрагмент росписей, поясное изображение апостола Симона, сейчас находиться в Историческом музее Москвы. По преданию на Красной площади Переславля стоял княжеский деревянный дворец-терем соединенный с хорами храма протяженной галереей. Считается, что именно здесь, у стен собора, рождались и получали крещение в Спасе многие переславские князья, в том числе и знаменитый русский полководец Александр Невский. В XIII-XIV веках Спасо-Преображенский собор был усыпальницей переславских удельных князей. В XIХ веке вместо ветхого иконостаса в соборе установили мраморную алтарную преграду в псевдовизантийском стиле и винтовую металлическую лестницу, ведущую на хоры. Храм неоднократно страдал от пожаров.

Собор закрыт в 1929 году. Здание церкви занято музеем.

С 2002 в совместном ведении Переславль-Залесского историко-художественного музея и епархии.